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轧辊激光表面强化研究及数值模拟

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1绪论

1.1激光表面强化的特点

1.2轧辊激光表面强化的一般工序

1.3轧辊激光表面强化的国内外现状

1.4轧辊激光表面强化的难点

1.5本课题关于轧辊激光表面强化的主要内容和任务

275CrMnMo铸钢轧辊激光熔凝强化

2.1激光熔凝强化处理的特点

2.2实验材料与方法

2.3试验结果与分析

2.4实际使用效果

2.5小结

370Mn2铸钢轧辊激光熔凝强化的研究

3.1 70Mn2化学成分

3.2试验方法

3.3试验结果与分析

3.4应用效果

3.5小结

4高碳高轧辊用钢激光相变强化

4.1激光相变硬化工艺参数与淬硬区尺寸

4.2激光相变硬化组织变化及分析

4.3激光强化后残余奥氏体和碳化物

4.4激光相变强化后硬度曲线与分析

4.5组织变化和硬度特征

4.6小结

5高碳高铬铁轧辊激光相变强化

5.1激光相变硬化工艺参数与淬硬区尺寸

5.2组织变化及分析

5.3激光强化处理后的硬度分布曲线

5.4.高碳高铬铁进行激光相变硬化热处理的难点

5.4小结

6轧辊激光相变硬化软化带研究及减少措施

6.1高铬钢轧辊激光相变硬化软化带的研究

6.2高铬铁轧辊激光相变硬化软化带的研究

6.3小结

7合金钢轧辊激光相变强化

7.1激光相变硬化工艺参数和淬硬区尺寸

7.2激光相变硬化后的组织变化及分析

7.3硬度分布曲线及分析

7.4小结

8高轧辊用钢激光相变强化

8.1激光相变硬化工艺参数与淬硬区尺寸

8.2高镍铬激光相变组织分析

8.3硬度分布曲线及分析

8.4小结

9半钢轧辊激光相变强化

9.1激光相变硬化工艺参数与淬硬区尺寸

9.2金相组织照片

9.3硬度分布曲线

9.4小结

10工艺参数对淬硬深度的影响

10.1概论

10.2激光工艺参数对各种轧辊淬硬深度的影响

10.3预测淬硬层深度的数学公式

10.4小结

11.轧辊激光强化温度场有限元分析

11.1有限元基本概念和原理

11.2有限元软件主要特点

11.3激光强化热传导

11.4轧辊激光强化处理有限元模型

11.5轧辊激光强化温度场的计算模型

11.6轧辊激光强化温度场模拟结果及分析

11.7小结

12激光强化对轧辊耐磨性影响的研究

12.1实验材料

12.2实验结果曲线

12.3实验结果分析

12.4小结

13结论

致谢

参考文献

附录1攻读硕士期间发表的论文

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摘要

本文以大型轧辊为主要研究对象,采用激光强化方式研究了75CrMnMo、70Mn2、高铬钢、高碳高铬铁、合金钢、高镍铬铸铁、半钢等7种轧辊材料,其中75CrMnMo、70Mn2轧辊材料采用激光熔凝强化处理,并应用于实际生产,而其余5种轧辊材料则采用激光相变硬化处理.利用著名的有限元分析软件Ansys对激光强化过程中轧辊热处理的温度场分布进行了二维分析和计算,得到比较满意的结果.(1)75CrMnMo、70Mn2轧辊激光熔凝强化处理后硬化效果显著,淬硬层的深度可达2mm,硬化区内最高峰值可达800HV<,0.2>以上,强化后硬度有明显提高,耐磨性有大幅度的上升.经过激光熔凝强化处理后的轧辊经实际使用,过钢量可达到4800-6000吨,而激光未强化前过钢量在2000吨左右,即过钢量可以提高1.5倍以上,从而有效地延长了换辊周期,提高了生产效率,降低了生产成本.(2)高铬钢激光相变强化时极易发生表面熔化,必须控制激光功率和扫描速率.在激光相变硬化处理中,硬度可以由基材的550HV提高到750-800HV,峰值可以达到900HV.硬度和耐磨性都相应地得到提高.(3)高碳高铬铁激光相变硬化热处理有一定效果,难点主要表现在极易出现熔化区,这会导致生成微裂纹和大量的残余奥氏体,使该区的硬度降低.深冷处理、低温回火二次析出硬化、严格控制激光相变硬化处理工艺参数都是使工件表面不产生或产生深度较浅的微熔的有效措施.(4)合金钢轧辊用钢激光相变硬化处理后硬化效果比较明显,其硬度可由基体的426~482HV提高到淬硬区的786~793HV,且硬度分布的规律性较好,硬度值的分散度比较小,其耐磨性也有相应的提高.(5)高镍铬铸铁轧辊含碳量比较高(约3.2%),熔点较低(1350℃),对激光强化工艺参数比较敏感.(6)半钢轧辊熔点较低,激光强化处理时容易出现熔化区,且熔化区的硬度较低,一般略低于母材的硬度.淬硬区的硬度比较高,硬度值可达HV800左右.(7)利用有限元中的二次开发语言APDL开发了激光强化过程的温度场分析程序,实现了求解过程的自动化.研究了给定激光技术参数条件下的温度场的动态变化过程以及温度场的分布,数值模拟令人满意.(8)研究激光功率、扫描速度、光斑直径、功率密度等对淬硬深度的影响规律.

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